廣州地鐵2號線車輛振動試驗分析

鄧 鋒，張三多

（廣州市地鐵集團有限公司，廣東廣州 510440）

廣州地鐵2號線車輛振動試驗分析

鄧 鋒，張三多

（廣州市地鐵集團有限公司，廣東廣州 510440）

文章針對廣州地鐵 2 號線部分區(qū)間在車輛通過時出現(xiàn)振動大、噪聲大的情況，開展了車輛振動試驗，對比不同區(qū)間的振動差異，評估車輛運行平穩(wěn)性。根據(jù)各區(qū)間振動情況，分析造成列車振動的原因并提出改善措施。

地鐵車輛；振動；平穩(wěn)性；改善措施

1　振動試驗

廣州地鐵 2 號線行車線路為嘉禾望崗站—廣州南站，整體為南北 S 型走向，全長 31.8 km，共設 24 座車站、1 個車輛段和 1 個停車場。列車為南車株洲電力機車有限公司生產(chǎn)制造，運營時速為 80 km/h，列車全部為 A 型車，采用“四動兩拖”6 節(jié)編組形式。試驗時，列車跟隨尾班車，以 ATO 模式運行一個往返，停站不開門。

根據(jù)測量列車在運行過程所產(chǎn)生的振動加速度來分析在不同區(qū)間車輛的振動差異，試驗加速度傳感器采用瑞士 KISTLER 公司生產(chǎn)的量程為 5g 和 500g 加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是奧地利 DEWESOFT 公司的 DEWE 測試儀，加速度傳感器安裝在左右軸箱以及客室內轉向架中心上方左側 1 000 mm 處，如圖 1 所示。將加速度傳感器與 DEWE-5000 測試主機相連，測試系統(tǒng)如圖 2 所示。軸箱振動加速度信號采樣頻率設為 1 000 Hz，客室振動加速度信號采樣頻率設為500 Hz，車輛速度信號采樣頻率設為 100 Hz，將每個線路區(qū)間的采樣數(shù)據(jù)作為 1 個數(shù)據(jù)段。

圖 1 傳感器安裝位置（單位：mm）

圖 2 車輛振動加速度測試系統(tǒng)示意圖

2　振動數(shù)據(jù)分析

2.1振動數(shù)據(jù)處理及評價標準

2.1.1振動數(shù)據(jù)預處理

振動信號預處理的目的是將振動測試中采集到的數(shù)據(jù)盡可能地還原成實際振動情況，主要方法如下：

（1）消除多項式趨勢項。由于傳感器隨著溫度的變化會產(chǎn)生零點漂移，以及傳感器受周圍環(huán)境的干擾，使得最后得到的數(shù)據(jù)與基線偏離，并且這種偏離會隨著時間的變化而變化，因此，需要消除這種變化趨勢，常用的消除趨勢項的方法為多項式最小二乘法。

（2）平滑處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的振動數(shù)據(jù)往往會疊加有噪聲信號，而隨機產(chǎn)生的干擾信號頻帶較寬，有時高頻成分占了很大的比例，會使得采集到的數(shù)據(jù)繪制成振動曲線時呈現(xiàn)許多毛刺，很不平滑。為了削弱干擾信號的影響，提高曲線光滑度，需要進行平滑處理。本次數(shù)據(jù)處理采用了五點三次平滑法處理，該處理方法可以用作時域和頻域信號平滑處理，對于時域數(shù)據(jù)的作用是能夠減少混入振動信號中的高頻隨機噪聲，而對于頻域數(shù)據(jù)的作用是能夠使譜曲線變得光滑以便得到較好的擬合效果。

（3）低通濾波。濾波的目的是從所采集到的離散信號中選取需要研究的一部分信號，由于人體能夠感知到的振動頻率范圍是 1～1 000 Hz，所以對軸箱及客室振動信號進行 1 000 Hz 低通濾波。

2.1.2振動評價標準

根據(jù) GB 5599-85《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》的規(guī)定對車體加速度頻譜進行分析，以 2 s 為 1 段，每 1 段取 512 個采樣點，對每段的 512個采樣點進行快速富里葉變換（FFT）得頻譜，然后經(jīng)頻譜加權計算得到平穩(wěn)性指標 W。

地鐵車輛振動平穩(wěn)性可以按照公式（1）進行計算：

式（1）中，W 為平穩(wěn)性指標； A 為振動加速度，g；f 為振動頻率，Hz；F（ f ）為頻率修正系數(shù)，見表1。

如果在一個振動方向同時存在多種頻率成分時，那么該振動方向上的平穩(wěn)性指標 W 可以按照公式（2）計算：

平穩(wěn)性的評價分為優(yōu)、良好、合格 3 個等級，評價等級如表 2 所示。

表 1 頻率修正系數(shù)

表 2 客車平穩(wěn)性指標等級

2.2數(shù)據(jù)分析

（1）試驗數(shù)據(jù)顯示，整體上廣州地鐵 2 號線車輛軸箱振動下行（嘉禾望崗站—廣州南站）比上行（廣州南站—嘉禾望崗站）要大一些，如圖 3、圖 4 所示，軸箱振動最大的區(qū)間是廣州火車站—越秀公園站（圖 4 中“I”區(qū)間，279.2g）。而客室振動上行和下行相比基本上相差不大，客室振動最大的區(qū)間是紀念堂站—公園前站（圖 6 中“K”區(qū)間，2.97g）和三元里站—飛翔公園站（圖 5 中“G”區(qū)間，2.98g）。

（2）對比上行和下行軸箱左右兩側振動數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，下行軸箱右側振動要比左側大一些，而上行軸箱左側振動要比右側大一些，這和廣州地鐵 2 號線的線路走向有關。廣州地鐵 2 號線整體為南北走向，從嘉禾望崗站—廣州南站的下行方向有比較多向右的彎道曲線，列車按照下行路線運行時，彎道內側的振動會大一些。

（3）上行右側軸箱垂向振動最大值為150.7g，發(fā)生在市二宮站—海珠廣場站區(qū)間（圖 3 中“M”區(qū)間），上行左側軸箱垂向振動最大值為 167.4g，發(fā)生在石壁站—會江站區(qū)間（圖 3 中“V”區(qū)間）；下行右側軸箱垂向振動最大值為 207.8g，發(fā)生在紀念堂站—公園前站區(qū)間（圖 4 中“K”區(qū)間），下行左側軸箱垂向振動最大值為 148.6g，發(fā)生在白云公園站—飛翔公園站區(qū)間（圖 4 中“F”區(qū)間）；上行客室垂向振動最大值為 2.97g，發(fā)生在三元里站—飛翔公園站區(qū)間（圖 5 中“G”區(qū)間），下行客室垂向振動最大值為 2.98g，發(fā)生在紀念堂站—公園前站區(qū)間（圖 6 中“K”區(qū)間）。

（4）上行軸箱右側縱向振動最大值為 52.46g，發(fā)生在江泰路站—昌崗站區(qū)間（圖 3 中“P”區(qū)間），上行左側軸箱縱向振動最大值為 135.3g，發(fā)生在石壁站—會江站區(qū)間（圖 3 中“V”區(qū)間）；下行軸箱右側縱向振動最大值為 143.3g，發(fā)生在廣州火車站站—越秀公園站區(qū)間（圖 4 中“I”區(qū)間），下行軸箱左側縱向振動最大值為 204g，發(fā)生在越秀公園站—紀念堂站區(qū)間（圖 4 中“J”區(qū)間）；上行客室縱向振動最大值為 0.89g，發(fā)生在三元里站—飛翔公園站區(qū)間（圖 5 中“G”區(qū)間），下行客室縱向振動最大值為 0.46g，發(fā)生在紀念堂站—公園前站區(qū)間（圖 6 中“K”區(qū)間）。

（5）上行軸箱右側橫向振動最大值為 78.2g，發(fā)生在廣州火車站站—三元里站區(qū)間（圖 3 中“H”區(qū)間），上行左側軸箱橫向振動最大值為169.3g，發(fā)生在石壁站—會江站區(qū)間（圖 3 中“V”區(qū)間）；下行軸箱右側橫向振動最大值為 279.2g，發(fā)生在廣州火車站站—越秀公園站區(qū)間（圖 4 中“I”區(qū)間），下行軸箱左側橫向振動最大值為 172.3g，發(fā)生在越秀公園站—紀念堂站區(qū)間（圖 4 中“J”區(qū)間）；上行客室橫向振動最大值為1.91g，發(fā)生在廣州南站站—石壁站區(qū)間（圖 5 中“W”區(qū)間），下行客室縱向振動最大值為 1.46g，發(fā)生在南洲站—洛溪站區(qū)間（圖 6 中“S”區(qū)間）。

圖 3 上行軸箱振動峰值

圖 4 下行軸箱振動峰值

圖 5 上行客室振動峰值

圖 6 下行客室振動峰值

（6）上行和下行各方向上振動最大值如表 3 所示。由表 3 可見，整個上行和下行區(qū)間振動最大的是廣州火車站站—越秀公園站區(qū)間軸箱右側垂向振動，達到了 279.2g，當時車輛的運行速度為 61 km/h 左右。

（7）地鐵車輛通過廣州火車站站—越秀公園站區(qū)間時垂向振動的能量主要集中在150～180 Hz、330～350 Hz的頻帶上，縱向振動的能量主要集中在頻率為330～380 Hz 的頻帶上，橫向振動的能量主要集中在頻率為 330～380 Hz、459～675 Hz 的頻帶上，如圖 7所示。

（8）紀念堂站—公園前站和三元里站—飛翔公園站 2 個區(qū)間軸箱振動不大，但是客室垂向振動是最大的，在數(shù)據(jù)采集時能夠感受到 2 個區(qū)間振動與噪聲較大。其中紀念堂站—公園前站振動能量集中在頻率為160～210 Hz 左右的頻帶上，如圖 8 所示；三元里站—飛翔公園站振動能量集中在頻率為 90～110 Hz的頻帶上，如圖 9 所示。

（9）根據(jù)車輛的運行狀況（啟動階段、停車階段、高速階段、變速階段、大振動階段等），將每個區(qū)間的數(shù)據(jù)分段求出車輛的運行平穩(wěn)性指標，見表 4。表 4 數(shù)據(jù)表明，廣州地鐵 2 號線各區(qū)間車輛平穩(wěn)性指標均小于 2.5，平穩(wěn)性等級均達到 1 級，處于優(yōu)等。

圖 7 廣州火車站—越秀公園站區(qū)間車輛振動頻譜圖

圖 8 紀念堂站—公園前站區(qū)間客室垂向振動頻譜圖

圖 9 三元里站—飛翔公園站區(qū)間客室垂向振動頻譜圖

3　振動原因分析及解決方法

3.1車輛方面的振動原因

（1）一系、二系懸掛裝置。車輛的振動加速度與所采用的一系、二系懸掛裝置的阻尼系數(shù)和剛度 2 個物理量有很大關系，因此，可以通過選用不同材質的彈簧或者調整其結構和尺寸等方式來改善一、二系懸掛裝置的剛度和阻尼系數(shù)，從而減小車輛振動。然而一、二系彈簧的調整對于行車安全有很大的影響，調整需要進行科學論證。

（2）車輛輪對橢圓偏心。列車在運行過程中，輪對磨損不均勻，極容易出現(xiàn)輪對橢圓偏心的現(xiàn)象，這就要求在檢修過程中定期核查輪徑值，及時進行輪對鏇修作業(yè)。

3.2線路方面的振動原因

（1）鋼軌接頭。廣州地鐵 2 號線鋼軌施工采用的是隧道內接觸焊的方式，由于作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境以及焊接工藝方面的影響，導致鋼軌接頭焊接質量不過關，使得車輛經(jīng)過這些位置時有比較大的沖擊力。為此，可以對鋼軌接頭進行焊修焊補，改善接頭位置的軌道不平順情況。

表 3 上行和下行各方向上振動最大值 g

表 4 車輛運行平穩(wěn)性指標

（2）道岔縫隙。車輛經(jīng)過道岔區(qū)時由于岔心存在有害空間使得車輛振動加劇，現(xiàn)在還沒有妥善的解決辦法，只能密切注意該區(qū)間道岔和軌道的磨耗情況，切實加強道岔區(qū)的維護保養(yǎng)工作。

（3）鋼軌波磨。鋼軌波磨是造成列車振動的原因之一，針對這種情況，可以通過鋼軌打磨車進行周期性打磨作業(yè)，消除鋼軌波磨對車輛振動的影響，如果對鋼軌波磨不加以控制，鋼軌波磨情況將會急劇發(fā)展。

4　結束語

通過對廣州地鐵 2 號線車輛振動試驗分析，可見廣州地鐵 2 號線各區(qū)間車輛平穩(wěn)性均達到優(yōu)等，但是部分區(qū)間車輛的平穩(wěn)性指標接近 2.5，可能會影響到乘客乘坐的舒適性。為防止振動情況加劇，應該從車輛和軌道兩方面入手，維護好車輛和軌道的狀態(tài)，提高地鐵車輛的運行平穩(wěn)性。

［1］ 余楓，賈影. 地鐵振動及其控制的研究［J］ . 都市快軌交通，2005，18（6）：61-64.

［2］ 王保堅. 地鐵車輛振動分析及解決方法［J］. 電力機車與城軌車輛，2009，32（3）：50-51.

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［4］ GB/T13442-92 人體全身振動暴露的舒適性降低限界和評價準則［S］. 1992.

［5］ GB5599-85 鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范［S］. 1985.

責任編輯 朱開明

Vehicle Vibration Test and Analysis on Guangzhou Metro Line 2

Deng Feng， Zhang Sanduo

In view of big vibration and big noise caused by passing vehicles in some sections of Guangzhou metro line 2， this paper conducts some vehicle vibration tests，makes comparison on the vibration difference of different sections and evaluation on the stability of vehicle running performance. According to the vibration in each section，the cause of the train vibration is analyzed and the improvement measures are put forward.

metro， vehicle， vibration， stability，improvement measures

U270.1.1

2016-04-17

鄧鋒（1988—），男，碩士